嫦娥二号卫星揭秘

□ 文 庞丹 摄影 南勇

高灵敏度X波段深空应答机技术

探月二期工程将采用X波段测控体制，嫦娥二号卫星对此体制将进行先期验证。目前，国内型号中尚无星地X波段测控体制应用的实践，X波段深空应答机的研制涉及设计、器件和工艺等一系列难点，将重点解决低信噪比的载波捕获与跟踪以及在解调损耗紧张、低信噪比条件下保持较高的灵敏度等关键技术。其难点主要有两个方面：一是低信噪比下的载波捕获跟踪算法，二是小型化、低功耗设计技术。为此，设计人员采取了以下措施进行解决，一是进行低信噪比下的载波捕获数字处理算法的仿真验证，采用数字基带处理技术，在保证精简电路同时，提高系统设计灵活性；二是单机、分系统联试及星地对接试验全面验证。

GNC系统三大创新点

嫦娥二号卫星制导导航与控制（GNC）系统产品在主要继承嫦娥一号卫星的基础上，通过软、硬件的修改，实现了三大技术创新：一是通过紫外敏感器的软、硬件修改，实现了近月与环月的辅助导航；二是通过GNC软件升级，实现了更加灵活的轨道控制，可以实现非测控区的轨道控制，并可在变轨后当圈进入对月定向；三是实现了载荷与敏感器互用，紫外敏感器增加了拍图与传图功能，能够拍摄月球的130米分辨率的紫外图像，并能覆盖月面80%以上的区域。

108个预案确保在轨飞行受控

为了确保在轨飞行过程中地面能及时准确地定位故障，并在最短的时间内完成故障应对处理，卫星系统在嫦娥一号卫星故障预案的基础上开展了嫦娥二号卫星故障预案工作。根据嫦娥二号卫星特点，在嫦娥一号卫星故障预案的基础上不断增加或重新修订，共形成108个故障预案。其中新增典型预案有七个，即100千米×15千米轨道虹湾成像故障预案；有效载荷分系统故障预案（CCD立体相机和大容量存储器新研）；技术试验分系统故障预案（分系统新研）；100千米环月飞行太阳翼高温故障预案；490牛发动机长寿命使用故障预案；单粒子事件故障预案；490牛发动机高温预案。

“动静相宜”的四台小相机

嫦娥二号卫星安装了三台彩色监视相机与一台黑白降落相机。

三台监视相机分别为490牛发动机监视相机、定向天线监视相机及太阳翼监视相机。490牛发动机监视相机可以监视星上发动机工作状态，获得姿控发动机点火工作时的视频图像，并可在卫星发射后从太空中拍摄地球图像。定向天线监视相机用来监视定向天线工作状态。定向天线是卫星与地面连接的纽带，由于定向天线360度旋转，活动半径大，距相机安装位置较近，此相机采用了短焦距超广角镜头。太阳翼监视相机采用长焦镜头，可以拍摄太阳翼展开过程及工作状态，判断太阳翼状态是否正常，在姿轨控配合下还可拍摄地球与月球图像。

噪声试验

紫外月球敏感器标定测试试验

发射场卫星测试

降落相机将用于获取月球表面图像，相机具备清晰拍摄与快速拍摄两种工作模式，可根据需要选择不同的工作模式，由于月面目标均为灰色，此相机为黑白相机。

为了实现以上的任务要求，同时尽量使相机做到质量轻、体积小、功耗低，降低卫星发射及在轨运行成本，4台小相机集成了多种先进技术。在总体方案设计上，采用了CMOS图像传感器，它是整个相机的核心元器件，具备集成度高、功耗低等诸多优点，有利于系统集成。为验证阳光直接照射进视场内对CMOS图像传感器有无影响，在地面进行了激光照射试验，还对其进行了各种抗辐照试验，确保CMOS图像传感器满足在轨使用要求。

降落与监视相机帧频高，图像数据量大，为减少整星数传速率压力，相机对图像数据进行了压缩，实现了先进的全色/彩色图像压缩算法，节省了系统资源。复杂图像经8∶1压缩后的峰值信噪比仍能达到40dB以上。

研制人员正在组装嫦娥二号卫星降落相机

相机具备自动曝光的能力，能够在复杂深空背景甚至卫星无姿轨控制的情况下识别出有效目标，利用特征提取算法，对视场内的有效物体进行分辨，并用快速收敛方法计算出合适的曝光时间，即使在复杂的环境下，最多只需5幅图像就可以确定合适的曝光时间。由于拍摄目标多种多样，亮度差异明显，要求相机的动态范围宽，能适应不同的光照条件及目标特性，为实现这一目标，相机设定了较宽的曝光时间范围，自动曝光算法可自动调整曝光时间至最佳。

太空中温度条件、辐射条件非常恶劣，相机的可靠性安全性设计采用了诸多措施，并在地面进行了各种环境试验验证，充分考核了其性能，确保相机在这种恶劣环境下顺利完成各项任务。

相机通过系统优化设计可做到手掌大小，质量仅三四百克，集成了光、机、电、热等先进技术，能够承受卫星发射过程的强烈力学冲击，并能在恶劣的太空环境下使用。相机集成了自动拍摄、实时图像压缩等智能操作，具备“动静相宜”的拍摄能力，并能做到长寿命，高可靠。

嫦娥二号卫星安装的降落与监视相机，可为其它航天活动的在轨监视提供重要的参考价值。该类型的相机在空间活动监视、深空探测、交会对接等领域有着广阔的应用前景。